什么是偏置曲轴？ 为何它能增强动力！

【卡车之家 原创】对于咱们不少卡友而言，在开车多年之后，已经从当初一位只会开车的司机，摇身一变成为了既会修车又会开车的老师傅，有的卡友在使用部分品牌的车型之后，甚至能成为了互助军团的“头号热心肠”，专门为新手卡友解决这款车的相关问题。

不过老司机也会遇到新问题，此前有卡友提出疑问，发现自己车上的发动机，其中活塞与缸盖和飞轮处于偏置状态，这究竟是怎么回事呢？如果从正面看发动机，会发现直列发动机腹内的活塞和曲轴用肉眼看并未处在一个水平面上。这其实是柴油发动机厂商针对发动机的一次全新尝试，而这种设计结构的学名被称之为偏置曲轴又或是曲轴偏置，今天我们就来了解一下。

我们都知道，目前的柴油机大多采用直列设计，而直列设计意味着发动机活塞的做工形式为垂直平面上下做工，除了少数类似斯堪尼亚V8发动机这样的机型，基本上我们马路上95%的卡车都采用的是直列发动机的设计。

如果我们要了解偏置曲轴，我们首先要了解一下厂家为何要这样设计，在传统的直列发动机结构之中，其内部为一套曲柄连杆机构，而根据物理学力学的定律，曲轴和连杆在处于同一条直线时，这时几乎难以发力，所以当活塞随着曲轴连杆运行到这个位置时，我们称其为死点。

传统燃油机型上下止点动画演示

这也就意味着，曲轴和连杆在运行一圈时，会经历两次最无力的时候，分别是活塞处于缸内最高位和最低位时，也就是和曲轴最远和最近的两个点位，这两者即被称为上死点（上止点TDC）和下死点（下止点BDC）。虽然近年来厂家通过升级后的缸内润滑和提前喷油等技术想要克服死点问题，提升发动机的功率和效率，但是受制于曲轴、曲柄、活塞平行结构的物理限制，死点很难在真正意义上被消除。

传统设计也就导致，在压缩行程结束，气缸的压力达到最大时，曲柄力臂却很小，所传递到曲轴上的力矩也很小，这个时候即便是再调整喷油量、进气量，发动机也会有无力感。

传统机型对比偏置曲轴机型

虽然厂家技术人员都知道中心式曲轴设计和实现更强的动力有些许背道而驰，但是多年来由于工艺限制、设计思路、可靠性等多方面的影响，柴油机一直没有在缸内设计结构上有所突破，不过近些年随着偏置曲轴和高强度曲柄的问世，这个问题似乎得到了最佳解决方案。

偏置曲轴演示动画

偏置曲轴打破了原先大家对于缸体内活塞直上直下的设计思路，工程师通过改变曲轴所在的位置，间接的改变了活塞的行动轨迹和运动行程，进而改变了上下死点的位置，让内燃机获得更多的可能性。目前在商用车领域，解放动力、潍柴动力、玉柴动力等国内发动机制造商均针对偏置曲轴这一理念开始不断进行全新尝试。

独轮车在上下死点位置最难用力

如果简单来理解，卡友们可以把传统往复式发动机做工的行程想象为自己骑独轮自行车，当脚踏板位于最高处的时候，向下踩的时候是最费力的，而脚踏板位于最低处时，又使不上什么劲儿。而偏置曲轴就像是我们骑自行车，将脚踏板前移后，腿和踏板之间不再是垂直做工，带有一定角度后不仅人骑着更轻松，而且更省劲儿。

所以偏置曲轴带来的第一项好处就是活塞行程发生变化，由于曲轴、活塞、连杆并未在一条直线上，所以当曲轴转动时，连杆、活塞的位置都和传统机型有所区别，导致活塞的运动行程会变长。而缸内活塞运动行程变长，理论上则会提升发动机的扭矩表现，进而提升整机的扭矩输出，这是第一个优势。

其次由于曲轴偏置后活塞行程会加长，所以要想达到同等的动力输出，发动机可以进一步压缩缸内高度，缩小整个发动机的尺寸，不仅重量更加轻巧，而且还可以让发动机适配更多的车型，这是第二个优势。

同时，偏置曲轴由于改变了死点位置间接消除、减弱了上下死点的影响，就会导致活塞本体的上行速度增快，而下行速度会变慢，而我们卡友都知道，活塞的上行速度越快会提升缸内压缩力，热损失和可燃气体损失进一步降低，有利于提升发动机最高温度、最高压力和往复循环的热效率，这是第三个优势。

做功行程时间延长有利于燃料的充分燃烧，与中心式曲轴对比，可以在同样的燃烧条件下获得更多的有用功，简单来说就是同等喷油量、行程的情况下，偏置曲轴的发动机拥有更强的动力，并且在高原地区可以改善因为进气密度的下降导致的动力损失，虽然传统的中心式曲轴可以通过增大活塞行程和压缩比以实现更强的功率，但是制造成本以及零部件体积都会直线提升，这是偏置曲轴的第四个优势。

这里需要注意的是，偏置曲轴和中心式曲轴在同样轴转角的情况下，由于偏置曲轴的燃烧室容积改变相对较小，如果燃烧速度不变，因为缸内压力、温度产生变化，偏置曲轴发动机气缸内的燃烧效率更佳，等燃烧热效率从理论上来看是更高的，所以其循环热效率也要高于传统的中心式曲轴发动机。

所以这也就不难解释，为何近年来诸如潍柴动力等品牌的发动机组热效率不断攀升，并且屡屡突破极限值，虽然这其中可能采用了其他先进技术，不过偏置曲轴的加入从理论上来说是能够提升发动机的实际热效率表现，而偏置曲轴会被大多数厂家列为下一开发目标也能从侧面说明这一问题。

曲轴不同偏置位置所带来的推力是完全不一样的

当然，偏置曲轴虽然有众多优势，但是发展至今为何仍旧有不少主机厂还在使用中心式曲轴发动机呢？这里我们就不得不提一下偏置曲轴在制造工艺、数据测算以及行业内目前仍存在的技术难题。

首先我们在前文说过，偏置曲轴的设计会让活塞的上行速度增快、下行速度降低，而上行速度增快的好处显而易见，但是下行速度降低也会带来一定的问题，首当其冲的就是就是进气效率降低。我们都知道柴油机的做功流程为进气、喷油、压燃、排气四个流程，而进气效率降低意味着油气混合不够充分，燃油的利用率下降。

这就会导致搭载偏置曲轴设计的发动机在燃油经济性以及油耗方面的表现不算很乐观，活塞下行慢虽然可以提升进气时间，可长时间充气，但是不利于整个循环往复的过程，而目前主流的解决方式则为使用高角度凸轮轴以及废气涡轮增压器，强制提升发动机的进气效率，增强搭载偏置曲轴发动机的进气能力。

同时也可以通过厂家工程师适当调整配气相位，让进气量提升，进而改善进气效率。另外我们都知道，卡车作为工具，一年的行驶里程非常长，传统的中心式曲轴由于更加符合零部件作用力设计，所以可靠性自然没问题，然而偏置曲轴由于运动轨迹发生变化，作用在曲柄上的气体压力和惯性力更强，对零部件的强度要求较高。

偏置曲轴作用在气缸壁上的力不容易恒定 对一侧缸壁的压力更大

并且由于发动机的连杆摆角始终为负角度，侧向压力一直存在，这样的变化会导致发动机在长期做工的情况下，侧压力变化曲线波动很强，容易对发动机的活塞、活塞环、连杆、曲柄、缸壁造成永久性的冲击磨损。这就要求厂家对于这些零部件进行额外的硬化、加强处理，提升了整机成本，并且可能在行驶一定里程后会遇到提前更换零部件等问题。

除此之外，偏置曲轴并不是我们想象中，想偏多少就偏多少，而是需要大量数据实验，针对不同的发动机型号进行重新布局，活塞惯量，偏置角度等等问题均需反复论证，才能打造出一款各项数据优异的偏置曲轴发动机。而使用偏置曲轴发动机的卡友切忌不能在所谓的路边摊、维修小店开盖维修发动机，如果修理师傅没有经验，很有可能造成意想不到的问题。

●  编后语

虽然偏置曲轴是未来柴油机的一大发展方向，但是通过基本理论可以看出，发动机是否搭载偏置曲轴，不仅是对于一个厂家的技术储备、科技实力的综合考验，更是能看出一个厂家在发动机技术领域是否真的具备自主研发实力，而我们预估，未来国内品牌将会有更多搭载偏置曲轴的发动机型进入市场，而未来哪家又能笑傲江湖呢？卡车之家也将持续关注。（文/杨昊）